Тонколенточные солнечные элементы - Чопра К.
Скачать (прямая ссылка):
Найте и др. [79—87], исследуя влияние условий осаждения a-Si;H, в тлеющем разряде на структуру и состав вещества,
Солнечные элементы на основе аморфного кремния 307
установили, что пленки аморфного кремния, приближающегося по своим свойствам к собственному полупроводнику, образованы столбиками диаметром около 10 нм, в которых могут содержаться точечные дефекты в виде молекул моногидрида кремния, замещающих атомы Si. Столбики формируются на границе раздела пленки с подложкой, и их направление роста совпадает с направлением движения частиц пара к подложке. Между единичными столбиками образуются области с пониженной плотностью вещества, в состав которого, по-видимому, входят цепочки полисилана (SiH2)n и моногидрид кремния, насыщающий свободные связи. В высококачественных пленках а-Si: Н, применяемых для изготовления приборов, размеры областей с пониженной плотностью вещества малы, а водород присутствует в основном в виде моногидрида кремния. ' Такие пленки слабо окисляются после осаждения, количество их структурных элементов размером —100 нм незначительно, и в то же время в пленках можно обнаружить столбики диаметром —10 нм. Влияние микроструктуры на физические свойства пленок оказывается очень существенным. Особенности же микроструктуры определяются параметрами процесса осаждения. Значения плотности вещества в пленках а-Si: Н, представленные в табл. 6.2, показывают, насколько значительны вариации свойств гидрогенизированного аморфного кремния при изменении условий осаждения.
Результаты анализа спектров комбинационного рассеяния света [88] свидетельствуют о том, что легированные пленки a-Si: F : Н имеют структуру, близкую к поликристаллической. Тем не менее их можно успешно использовать в качестве контактных слоев солнечных элементов.
При осаждении чистого аморфного кремния с помощью ионного распыления [22, 63, 75], так же как и при получении а-Si : Н в тлеющем разряде, образуются рыхлые пленки, в которых содержатся полости. Недавно установлено [89—91], что
Таблица 6.2. Изменение плотности гидрогенизированного аморфного кремния и концентрации содержащегося в нем водорода в зависимости от давления силана и температуры подложки в процессе осаждения [38]
Номер образца Температура подложки. °С Давление силана, Па Отношение плотностей a-Si:H и кристаллического кремния Содержание водорода, °0
1 25 133 0,63 35
2 25 13,3 0,73 25
3 250 13,3 0,98 18
4 250 133 0,86 14
308
Глава 6
аналогичной структурой обладают пленки a-Si: Н, создаваемые методом ионного распыления. Наличие полостей, вероятно, связано с повреждением структуры, происходящим при соударениях атомов осаждаемого вещества с растущей пленкой [24]. Пленки a-Si: Н, выращиваемые методом ионного распыления, имеют такую же микроструктуру, как и пленки, получаемые в тлеющем разряде, и состоят из столбиков, вытянутых вдоль направления движения частиц пара к подложке. В результате анизотропного травления a-Si: Н (осуществляемого таким же способом, как и при обработке чистого аморфного кремния [24]) на поверхности пленки образуется множество выступов столбчатой формы, удаленных друг от друга на рас* стояние порядка 0,1...0,3 мкм. Вследствие этого коэффициент отражения света уменьшается с 40 % (значение, характерное для пленки с плоской поверхностью, не подвергавшейся травлению) примерно до 3 делегированные бором пленки аморфного кремния, создаваемые методом вакуумного испарения, непосредственно после осаждения содержат большое количество микрополостей и микрокристаллитов.
6.4.2 Состав пленок
Концентрация водорода в пленках a-Si: Н, получаемых в тлеющем разряде, в значительной степени зависит от условий осаждения и, согласно данным нескольких исследователей, составляет 5... 50%. При повышении температуры подложки концентрация водорода, как правило, уменьшается [56, 75, 92]. В случае нанесения пленок в безэлектродном высокочастотном разряде содержание водорода возрастает при увеличении мощности разряда и понижается при повышении давления SiH4. В пленках a-Si: F: Н, осаждаемых в тлеющем разряде, концентрация фтора уменьшается при увеличении отношения концентраций SiF4 и Н2 в газовой смеси [6], однако количество водорода в a-Si: Н зависит от ряда других параметров процесса нанесения. Для изготовления солнечных элементов применяют пленки a-Si: Н с концентрацией водорода 10... 15% [92]. На первый взгляд представляется, что для получения гидрогени-зированного аморфного кремния с хорошими электронными свойствами нет необходимости налагать какие-либо ограничения на величину концентрации водорода. Однако, как отмечалось ранее, пленки, содержащие водород в виде моногидрида кремния, оказываются' наиболее высококачественными, и на их основе могут быть изготовлены приборы с лучшими характеристиками.
При внедрении водорода в аморфный кремний образуются компенсированные микрополости, такие, как моновакансии, со-
Солнечные элементы на основе аморфного кремния
309
стоящие из четырех атомов водорода, или дивакансии, содержащие шесть атомов водорода. Они не служат источниками локализованных состояний в запрещенной зоне [93], а их размеры и концентрация существенно зависят от условий осаждения пленок. Измерения плотности а-Si: Н [94] показывают, что средний размер микрополостей немного больше размера дивакансии и что концентрация водорода определяется в основном количеством этих компенсированных микрополостей.
